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鎳基單晶高溫合金因其在高溫下的優(yōu)異性能而被用作航空發(fā)動機及燃氣輪機的葉片。然而，單晶葉片在高溫高壓及復(fù)雜燃燒室條件下可能產(chǎn)生各種形式的表面損傷?？紤]單晶部件的高成本，因此非常需要開發(fā)有效的修復(fù)技術(shù)，其中激光熔覆技術(shù)是一種可靠且有希望的選擇。

近年來通過激光熔覆技術(shù)實現(xiàn)單晶組織外延生長的研究集中在某一固定晶面改變激光掃描方向或選擇不同晶面使用某一掃描方向來進行。對于激光修復(fù)表面損傷部件來說，可以在損傷部件上切割出不同的晶面。那么提出了一個問題：在哪些傳統(tǒng)晶面上，以及沿著哪個掃描方向，雜晶形成能力最弱？這就需要系統(tǒng)研究在不同晶面上的雜晶形成能力（即CET，柱狀晶-等軸晶轉(zhuǎn)變）。

近期，西北工業(yè)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院相變物理及新材料實驗室通過關(guān)鍵實驗與理論計算相結(jié)合的方式系統(tǒng)地研究了單晶高溫合金在不同晶面的雜晶形成能力，論文以題為“A comparable study on stray grain susceptibilities on different crystallographic planes in single crystal superalloys”發(fā)表于金屬材料領(lǐng)域國際頂刊《Acta Materialia》。論文第一作者為西工大郭嘉琛博士，通訊作者為西工大王楠教授。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.116558

該項研究工作利用激光重熔技術(shù)對(001)、(011)和(111)晶面上的雜晶形成能力進行了對比研究。對于每一個平面，在確定初始基體取向后，使用了不同的激光掃描方向。研究確定了不同基體取向?qū)﹄s晶形成能力的影響以及系統(tǒng)比較了三個傳統(tǒng)晶面上的雜晶形成敏感度。結(jié)果表明，基體取向?qū)?011)面和(111)面上的雜晶形成有顯著影響，但對(001)面的影響較?。贿@三個晶面表現(xiàn)出不同的CET能力，對雜晶形成的抵抗能力以(111) < (001) < (011)的順序在增強；為避免單晶高溫合金激光重熔或激光修復(fù)過程中出現(xiàn)雜晶，選擇(011)晶面上的[01-1]激光掃描方向是最佳選擇; 除了激光功率、掃描速度和送粉速率之外，基體取向也將作為一個可調(diào)節(jié)的參數(shù)，可在加工過程中使用，以避免雜晶的形成。綜上，該研究系統(tǒng)地研究了單晶高溫合金在不同晶面的雜晶形成能力，并通過理論計算闡明了基體取向?qū)τ陔s晶形成能力的潛在機制。

圖1 熔池示意圖，顯示分別在（a）（001）、（b）（011）和（c）（111）晶面上改變角度和法向之間的關(guān)系，以及擇優(yōu)生長方向與x、y和z軸之間角度α、β和γ之間的關(guān)系。

圖2 在(011)晶面上熔池橫截面微觀組織形貌及相對應(yīng)的EBSD試驗圖。(a) ξ(011)= 0°, (b) ξ(011) = 30°,(c) ξ(011) = 60°and (d) ξ(011) = 90°。

圖3 熔池內(nèi)雜晶體積分數(shù)分布隨基體取向變化。(a) (001) 面；(b) (011) 面；(c) (111)面。

圖4 不同晶面內(nèi)熔池雜晶平均體積分數(shù)分布隨掃描方向的變化關(guān)系。

圖5 等軸晶臨界產(chǎn)生條件隨基體取向變化之間關(guān)系圖。

近年來，該課題組專注于單晶高溫合金基體取向?qū)﹄s晶形成能力的影響，相關(guān)研究工作還發(fā)表在《Acta Materialia》2015, 88: 283-292；《Acta Materialia》2016, 104：250-258；《Acta Materialia》2017, 126：302-312；《Journal of Alloys and Compounds》2019, 800：240-246等期刊上。

*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。

本文來自微信公眾號“材料科學(xué)與工程”。